18.6. Растворение

Под термином растворение понимают переход вещества в раствор с поверхности твердых частиц. Различают физическое и химическое растворение. При физическом растворении исходное вещество может быть вновь получено путем кристаллизации из раствора. Химическое растворение представляет собой гетерогенную химическую реакцию, продукты которой растворяются в жидкой фазе. Возврат к исходному веществу путем кристаллизации в этом случае невозможен. В дальнейшем будет рассматриваться только физическое растворение, которое можно рассматривать, как процесс обратный кристаллизации, происходящий при концентрации раствора ниже равновесной.

Равновесие при растворении, как и при кристаллизации, достигается в условиях равенства химических потенциалов (летучестей) вещества в растворе и твердом состоянии (12.63), что определяется равновесной концентрацией (12.64), смотри также раздел 18.2.

Кинетика растворения более проста по сравнению с кристаллизацией в связи с отсутствием стадии, аналогичной образованию зародышей. Скорость растворения можно описать по аналогии со скоростью роста кристаллов уравнением (18.3), в котором , гдеС – концентрация ненасыщенного раствора. При этом также можно выделить две стадии: разрушение кристаллической решетки и переход молекул (ионов) в раствор, а также их отвод от границы кристалла в ядро раствора. Как правило, лимитирующей стадией при растворении является массоперенос в жидкой фазе. В этом случае порядок процесса в уравнении (18.3) и оно превращается в уравнение массоотдачи.

Аппараты для проведения процесса растворения называются растворителями, конструкции их разнообразны. Для интенсификации процесса стремятся увеличить коэффициент массоотдачи в (18.3), с этой целью аппараты периодического действия снабжают механическими мешалками (рис 18.6), циркуляционными насосами или пневматическим перемешиванием. В аппаратах непрерывного действия также стремятся к созданию высоких скоростей движения жидкой фазы относительно растворяющихся твердых частиц. Для этого, например, могут использоваться аппараты с псевдоожиженным слоем.

Контрольные вопросы к главе 18

1. Что называется кристаллизацией и для чего она применяется?

2. Дайте определения понятиям: растворение, пересыщение, массовая кристаллизация, перекристаллизация.

3. Что называется кристаллом, кристаллосольватом, смешанным кристаллом, изоморфизмом, полиморфизмом?

4. Что является движущей силой процесса кристаллизации?

5. Что определяют статика и кинетика кристаллизации?

6. Что называется теплотой растворения и теплотой кристаллизации, от чего зависят их величины и знаки?

7. Что такое положительная и отрицательная растворимость?

8. Изобразите примерную диаграмму растворимости для системы соль – вода и укажите поля ненасыщенного раствора, кристаллизации соли, кристаллизации льда, а также криогидратную точку, поясните эти понятия.

9. Какие две стадии можно выделить в процессе кристаллизации?

10. Что называется латентным (индукционным) периодом и от чего зависит его продолжительность?

11. Чем характеризуются метастабильная и лабильная зоны области пересыщенного раствора?

12. От каких факторов и каким образом зависит скорость образования зародышей?

13. Что понимается под критическим размером зародыша, от чего он зависит?

14. Каким уравнением можно описать скорость роста кристаллов?

15. Какие две стадии роста кристаллов можно выделить? От чего зависит скорость каждой из них? Какие особенности приобретет уравнение (18.3) если одна из стадий будет лимитирующей?

16. От каких факторов и каким образом зависят размеры образующихся кристаллов?

17. Как обеспечить чистоту получающихся кристаллов?

18. Какие методы проведения процесса кристаллизации вам известны, в чем они заключаются?

19. Изобразите изотермический и изогидрический методы кристаллизации на диаграмме растворимости.

20. Запишите уравнения материального и теплового балансов кристаллизации, в чем заключаются их особенности для изотермического и изогидрического методов?

21. Схематично изобразите изогидрические кристаллизаторы, поясните их работу, преимущества и недостатки.

22. Схематично изобразите изотермические кристаллизаторы, поясните их работу, преимущества и недостатки.

23. Сформулируйте основные этапы расчета кристаллизаторов.

24. Каковы особенности статики и кинетики растворения по сравнению с кристаллизацией?